浮動球球閥疲勞壽命分析

浮動球球閥疲勞壽命分析介紹了流體供給系統(tǒng)用浮動球球閥構(gòu)造和性能，以及故障閥門失效產(chǎn)生的原因和機(jī)理?；贏NSYSWorkbench平臺建立模型，依據(jù)閥門的工作特性，對球體和左閥體分別在不同載荷下的閥門疲勞壽命情況開展仿真和分析，獲得閥門球體和左閥體變形量、應(yīng)力集中和疲勞損傷大小及位置，并與閥門實際使用情況開展比照驗證。提出了改良措施和延長閥門壽命的方法。1、概述

當(dāng)流體介質(zhì)為低沸點液體時，液體易氣化形成飽和蒸汽壓。如果閥體內(nèi)腔留存了低沸點液體，在環(huán)境溫度大于沸點時，閥體內(nèi)腔會因受到大于閥體材料屈服應(yīng)力而膨脹過度，乃至失效。如用于某流體供給系統(tǒng)的球閥在管道兩端無介質(zhì)情況下發(fā)生了大量介質(zhì)泄漏。檢查發(fā)現(xiàn)閥門密封圈因崩裂已失效，閥門球體部分破裂且整體變形嚴(yán)重，左右閥體連接螺栓的螺紋咬合卡塞無法調(diào)整，閥體連接處的密封調(diào)整墊片完全撕裂，閥座密封件撕裂，閥桿有明顯變形，閥門內(nèi)部介質(zhì)殘留較多。根據(jù)統(tǒng)計，流體系統(tǒng)曾多次發(fā)生過同類型球閥球體卡住和閥桿斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)可靠性。因此，研究閥門故障產(chǎn)生機(jī)理對延長閥門的使用壽命和流體系統(tǒng)可靠性具有重要意義?；谟嬎銠C(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)，對閥門開展靜態(tài)分析與疲勞壽命分析。2、構(gòu)造及性能

球閥由閥體、閥座、閥桿和驅(qū)動裝置等組成，球體為浮動構(gòu)造。利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉(圖1)。球閥的截止作用是由金屬球體在介質(zhì)的作用下，與彈性閥座之間相互壓緊來完成。閥座密封圈在一定的接觸壓力作用下，局部發(fā)生彈塑變形。這一變形可以補(bǔ)償球體的制造精度和表面粗糙度，保證球閥的密封性能。

球閥公稱通徑為400mm，操縱氣壓力為5MPa，工作壓力為1.6MPa，閥體材料為鑄鋼，球體材料為1Cr18Ni9T，密封材料為PTFE或PPL，材料許用應(yīng)力500MPa，彈性模量E=172～206GPa，泊松比μ=0.25～0.3，使用壽命≤5000次。3、失效機(jī)理

閥門安裝在管路通徑為Φ400mm、流體介質(zhì)為N2O4，環(huán)境溫度約20℃(夏季)的流體供給系統(tǒng)中。使用過程中，閥門內(nèi)腔為1MPa壓力的滿流狀態(tài)，閥門操縱氣壓力為5MPa。閥門在關(guān)閉過程中，閥體內(nèi)及其與球體之間的腔道中會積存大量N2O4。在未開展閥門高點排氣和低點放液的情況下，N2O4不能及時排出，閥門內(nèi)部封閉空間充滿N2O4、NO2的飽和蒸汽氣體和液體混合物。當(dāng)N2O4、NO2之間的可逆反應(yīng)到達(dá)化學(xué)平衡時，其閥門內(nèi)部壓力超過了閥門設(shè)計壓力，閥門球體和閥體產(chǎn)生不同程度的變形，閥門密封件發(fā)生撕裂破碎，閥門在動作過程中球體被卡住。經(jīng)計算，球閥在關(guān)閉后未開展高點排氣和低點放液的情況下，其內(nèi)部形成的N2O4與NO2混合物在Φ400的球腔里到達(dá)化學(xué)平衡時的壓力可達(dá)4.41MPa，超出了球閥的設(shè)計壓力。

圖1閥門構(gòu)造6、結(jié)語

通過對閥門球體與左閥體在1MPa壓力和4.41MPa壓力兩種情況仿真計算，說明了球閥在1MPa的壓力下使用是安全的，在4.41MPa壓力下使用是不安全的。為防止球閥出現(xiàn)超壓力使用現(xiàn)象，延長其使用壽命，在閥門與管道設(shè)計時，應(yīng)充分考慮閥門關(guān)閉后閥門球體內(nèi)殘存介質(zhì)對球體與閥體的壓力影響，尤其是沸點較低流體供給系統(tǒng)中的球